纠缠是一种量子现象，其中两个或多个粒子的属性以某种方式相互关联，以至于人们无法再为每个单独的粒子分配确定的状态。相反，我们必须同时考虑共享某种状态的所有粒子。粒子的纠缠最终决定了材料的特性。
“许多粒子的纠缠是造成差异的特征，”该论文的第一作者之一克里斯蒂安·科凯尔强调说，该论文现已发表在《自然》杂志上。“但与此同时，这又很难确定。” 由因斯布鲁克大学 Peter Zoller 和奥地利科学院 (ÖAW) 量子光学与量子信息研究所 (IQOQI) 领导的研究人员现在提供了一种新方法，可以显着改善对量子材料中纠缠的研究和理解。为了描述大型量子系统并从中提取有关现有纠缠的信息，人们天真地需要执行大量不可能的测量。理论物理学家 Rick van Bijnen 解释说：“我们开发了一种更有效的描述，使我们能够通过更少的测量从系统中提取纠缠信息。”
在具有 51 个粒子的离子阱量子模拟器中，科学家们通过逐个粒子地重新创建真实材料并在受控实验室环境中对其进行研究来模仿真实材料。全世界很少有研究小组能够像克里斯蒂安·鲁斯和雷纳·布拉特领导的因斯布鲁克实验物理学家那样对如此多的粒子进行必要的控制。“我们面临的主要技术挑战是如何保持低错误率，同时控制捕获在陷阱中的 51 个离子，并确保单个量子位控制和读出的可行性”，实验员 Manoj Joshi 解释道。在此过程中，科学家们首次在实验中目睹了此前仅在理论上描述过的效果。“在这里，我们结合了过去几年共同苦心研究出来的知识和方法。最近加入哈佛大学理论原子分子和光学物理研究所的克里斯蒂安·科凯尔 (Christian Kokail) 兴奋地说：“令人印象深刻的是，您可以利用当今可用的资源来完成这些事情。”
通过温度曲线的快捷方式
在量子材料中，粒子可以或多或少地强烈纠缠。对强纠缠粒子的测量仅产生随机结果。如果测量结果波动很大(即，如果它们完全是随机的)，那么科学家将其称为“热”。如果某个结果的概率增加，那么它就是一个“冷”量子物体。只有对所有纠缠物体的测量才能揭示准确的状态。在由很多粒子组成的系统中，测量的工作量大大增加。量子场论预测，许多纠缠粒子系统的子区域可以分配一个温度分布。这些轮廓可用于得出颗粒的缠结程度。
在因斯布鲁克量子模拟器中，这些温度分布是通过计算机和量子系统之间的反馈回路确定的，计算机不断生成新的分布并将其与实验中的实际测量结果进行比较。研究人员获得的温度分布表明，与环境相互作用强烈的粒子是“热”的，而与环境相互作用很少的粒子是“冷”的。“这完全符合预期，即当粒子之间的相互作用很强时，纠缠会特别大，”克里斯蒂安·科凯尔说。
打开物理学新领域的大门
“我们开发的方法为研究相关量子物质中的大规模纠缠提供了强大的工具。这为使用当今已经可用的量子模拟器来研究一类新的物理现象打开了大门，”量子大师 Peter Zoller 说道。“使用经典计算机，这样的模拟不再能够通过合理的努力来计算。” 在因斯布鲁克开发的方法也将用于在此类平台上测试新理论。
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